Flexibles Zeitmultiplexverfahren

Multiplexverfahren (lat. multiplex „vielfach, vielfältig“) sind Methoden zur Signal- und Nachrichtenübertragung, bei denen mehrere Signale zusammengefasst (gebündelt) und simultan über ein Medium (Leitung, Kabel oder Funkstrecke) übertragen werden. Oftmals werden Multiplexverfahren auch kombiniert, um eine noch höhere Nutzung zu erreichen. Die Bündelung erfolgt, nachdem die Nutzdaten auf ein Trägersignal moduliert wurden. Entsprechend werden sie beim Empfänger nach der Entbündelung (dem Demultiplexen) demoduliert.

Speziell das synchrone Zeitmultiplexverfahren (siehe unten) kommt auch bei der seriellen digitalen Datenübertragung, der simultanen Datenerfassung mehrerer analoger Kanäle und bei der Ansteuerung von Anzeigen (LED- und Fluoreszenzanzeigen, LC-, Plasma- und CRT-Bildschirme bzw. -displays) zum Einsatz.

Die Intentionen für die Anwendung von Multiplexing sind bei leitungsgebundener und bei Funkübertragung teilweise unterschiedlich. Bei leitungsgebundener Übertragung werden die Signale aus mehreren Quellen durch einen so genannten Multiplexer gebündelt und gemeinsam über einen statt über mehrere parallele Wege übertragen. Der Demultiplexer entbündelt die Signale dann wieder. Ziel hierbei ist es, die Kosten für die Übertragungsstrecke möglichst niedrig zu halten. Die Funktechnik eignet sich besonders, um mehrere Teilnehmer, die meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen Funkstation verbinden zu können. Beim Richtfunk als Punkt-zu-Punkt Verbindung gibt es ebenfalls Multiplextechniken. Hier wird der Hochfrequenzübertragungskanal gemeinsam für eine Vielzahl von Datenströmen benutzt.

Allgemeines

Multiplexverfahren wurden entwickelt, um eine optimale Ausnutzung der Leitungen und Frequenzen zu erreichen, die in der Elektronik und Kommunikationstechnik als Übertragungswege zur Verfügung stehen.
Hierdurch werden die Kosten verringert und die Zuverlässigkeit erhöht, da zum Beispiel weniger Anschluss- und Verbindungsleitungen erforderlich sind. Manche technische Lösungen sind überhaupt nur mit multiplexer Signalübertragung realisierbar (z. B. die Ansprache bzw. das Auslesen einzelner Pixel digitaler Kameras und Flachbildschirme).

Beim Multiplexverfahren werden mehrere verschiedene Signale gebündelt oder zeitlich ineinander verschachtelt, um sie ohne gegenseitige Beeinflussung simultan und gemeinsam übertragen zu können.

In der Kommunikationstechnik und Signalübertragung unterscheidet man die folgenden Multiplexverfahren:

• Raummultiplexverfahren – Übertragungskanäle (Leitungen, Richtfunkstrecken) werden zur parallelen aber exklusiven Nutzung durch mehrere Sender und Empfänger gebündelt.
• Frequenz. bzw. Wellenlängenmultiplexverfahren – Bei Leitungsübertragung werden mehrere Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen getrennt übertragen; bei Funk- und Lichtwellenleiterübertragung werden unterschiedlichen Signalen unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen.
• Zeitmultiplexverfahren – Mehrere Signale werden zeitversetzt übertragen. Sie sind zeitlich ineinander verschachtelt. Die Zeitfenster können synchronisiert und gleichlang oder asynchron und bedarfsabhängig sein.
• Codemultiplexverfahren – Dieses Verfahren wird in der Funktechnik und in Datenbussen eingesetzt. Verschiedene Signalfolgen werden über eine Leitung oder eine Funkfrequenz übertragen und im Empfänger beziehungsweise mehreren Empfängern anhand ihrer unterschiedlichen Codierung erkannt und zugeordnet. Das Verfahren ähnelt dem Zeitmultiplexverfahren, jedoch ist keine Koordinierung der Zeitfenster erforderlich.

Analogien zur Veranschaulichung

• Raummultiplexverfahren – Personen sprechen an verschiedenen Orten miteinander. Bei genügend großem Abstand stören sich die Gespräche nicht gegenseitig.
• Frequenzmultiplexverfahren – Eine Hundepfeife oder Fledermäuse erzeugen für den Menschen unhörbare Signale. Eine Kommunikation ist parallel möglich.
• Zeitmultiplexverfahren – In einer Schulklasse oder beim CB-Funk hat in der Regel nur je ein Sprecher gleichzeitig das Wort (asynchrones Zeitmultiplexverfahren), in Parlamenten hat jeder Redner eine Redezeit definierter Länge (synchrones Zeitmultiplexverfahren)
• Codemultiplexverfahren – Bei vielen gleichzeitig gesprochenen Sprachen hört man seine Muttersprache heraus. Bekannte Personen erkennt man am Klang ihrer Stimme.

Begriffsunterscheidung „Multiplexing“ und „Multiple Access“

Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Multiplexverfahren wird teils von Multiplexing (oft in Verbindung mit Hardware) und teils von Multiple Access (oft als Softwarelösung) gesprochen.

Um Multiplexing im engeren Sinne handelt es sich dann, wenn am Anfang eines Übertragungsweges ein Multiplexer mehrere Signale bündelt und am Ende ein Demultiplexer diese wieder auftrennt.

Der Begriff Multiple Access wird eher dann verwendet, wenn es mehrere Sender-Empfänger-Paare (z. B. Mobilfunkteilnehmer) gibt, die sich ein Übertragungsmedium (in der Regel eine Funkschnittstelle – also die Luft in der Umgebung einer Basisstation oder eines Funkrouters) selbständig aufteilen. Das geschieht entweder mit einer zentralen Instanz (z. B. die Basisstation beim mobilen Telefonieren), die die Kanäle zuteilt, oder die Teilnehmergeräte arbeiten mit einer Kollisionserkennung.

Die Verfahren zur gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums sind bei Multiplexing und Multiple Access jedoch gleich und werden deshalb in diesem Artikel gemeinsam beschrieben.

Raummultiplexverfahren

Mit Raummultiplexverfahren (Abk. SDM für Space Division Multiplex oder SDMA für Space Division Multiple Access) bezeichnet man in der Nachrichtentechnik das Übertragen beziehungsweise das Vermitteln von mehreren Nachrichten über parallel installierte Übertragungswege, die den einzelnen Sendern und Empfängern jeweils zur exklusiven Nutzung bereitgestellt werden.

Man unterscheidet hierbei zwischen zwei verschiedenen Varianten:

• kabelgebundenes Raummultiplexverfahren
• kabelloses Raummultiplexverfahren

Kabelgebundene Raummultiplexverfahren

Schematische Darstellung einer Kreuzschienenverteilung

Das kabelgebundene Raummultiplexverfahren ist das einfachste und älteste Multiplexverfahren. Hierbei werden zur gleichzeitigen Unterstützung von individuellen Verbindungen mehrere Leitungen parallel installiert. Diese parallelen Leitungen werden auch als Leitungsbündel (engl. trunk) bezeichnet.

Die einfachste Anwendung dieses Verfahrens sind die schon in der Anfangszeit der Telekommunikation und bis heute gebräuchlichen mehradrigen Kabel. Eine andere Methode des Raummultiplexverfahrens ist die Kreuzschienenverteilung (engl. cross bar switching), die auch als Koppelfeld bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine Matrix aus mehreren Leitungen mit vielen Schaltern. Hier zeigt sich einer der Vorteile des Raummultiplexverfahrens: Durch diese Matrix ist sichergestellt, dass jeder Sender jeden Empfänger erreichen kann, sofern die Leitung frei und der Schalter aktiv ist.

Kabellose Raummultiplexverfahren

Beim kabellosen Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen ein separates Gebiet oder eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Normalerweise erfolgt eine Mehrfachausnutzung einer solchen Funkstrecke beziehungsweise eines Gebietes mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens oder des Zeitmultiplexverfahren oder einer Kombination aus beiden.

Das Raummultiplexverfahren wird notwendig, wenn die Anzahl der zu übertragenden Verbindungen steigt und gleichzeitig Frequenzknappheit besteht. Dann wird die gleiche Frequenz mit ausreichendem räumlichen Abstand mehrfach benutzt. Der ausreichende räumliche Abstand ist notwendig, um zwischen den verschiedenen Sendern mit gleicher Sendefrequenz störende Interferenzen zu vermeiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren unter anderem in den Richtfunknetzen und bei der Frequenzzuteilung beim Rundfunk, Fernsehen und zellularem Mobilfunk.

Frequenzmultiplexverfahren / FDMA

Das Frequenzmultiplexverfahren, im Englischen Frequency Division Multiplex (FDM) oder Frequency Division Multiple Access (FDMA), ist sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Ein erster Vorschlag zur Vielfachausnutzung von Leitungen durch Frequenzmultiplexverfahren wurde 1886 für die Telegraphie durch Elisha Gray gemacht. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Stereotonübertragung im UKW-Radio.

Frequenzmultiplex auf Leitungen

Schematische Darstellung des Frequenzmultiplexverfahrens